ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2011, том 37, № 7, с. 499-511
УДК 5301
МАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Н*6О И Щ8О ГАЗОПЫЛЕВЫХ ОБЛАКОВ
(© 2011 г. А. В. Нестерёнок*, Д. А. Варшалович
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Поступила в редакцию 30.12.2010 г.
Приведены результаты численного моделирования процесса столкновительной накачки мазеров Н^О и Н28О в горячих плотных газопылевых облаках. В расчетах использовались новые данные по скоростям столкновительных переходов из работы Форе и др. Исследована возможность обнаружения излучения Н28О в источниках мазерного излучения Н^О 22.2 ГГц. Показано, что среда становится оптически плотной в линиях Н28О, для которых наблюдается инверсная населенность уровней, при лучевых концентрациях Н2О порядка 1019 —1020 см~2. Одновременное наблюдение излучения Н^О и мазерного излучения Н^О в одном и том же источнике позволит уточнить физические условия в газопылевом облаке.
Ключевые слова: космические мазеры, тяжелокислородная вода, области звездообразования, активные галактические ядра.
ВВЕДЕНИЕ
Источники излучения НЗ>6О в линии Л = 1.35 см (частота 22.23508 ГГц) были открыты Ченгом и др. (1969) в туманности Ориона и гигантских молекулярных облаках Sgг B2 и W49. За прошедшее время было обнаружено большое число как галактических, так и внегалактических источников мазерного излучения в этой линии. Мазер-ная линия Н26О на частоте 22.2 ГГц соответствует разрешенному электро-дипольному переходу между вращательными уровнями молекул орто-
Н6О ЗкаКс = 616 ^ 523, где К и К - асимптотические квантовые числа, которые характеризуют проекции вектора вращательного момента J на внутренние оси молекулы. На рис. 1 представлены энергетические схемы нижних вращательных уровней основного электронно-колебательного состояния молекул орто- и пара-Н26О. В последующих теоретических работах наряду с переходом 616 ^ ^ 523 была предсказана инверсия населенностей уровней для ряда других вращательных переходов Н6О, частоты которых лежат в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн. На этих частотах излучение испытывает сильное поглощение в атмосфере Земли, что затрудняет наземные наблюдения. Ментен и др. (1990) с помощью 10-м телескопа субмиллиметровой обсерватории Калте-ха на Мауна Кеа впервые обнаружили излучение
Электронный адрес: alex-n10@yandex.ru
орто-Н26О на частоте 321 ГГц (переход 102д ^ ^ 936) в направлении на источники, в которых ранее наблюдалось излучение в линии 22.2 ГГц. Узость наблюдаемых линий указывала на мазерное усиление этого излучения. В дальнейшем было открыто излучение других "вращательных" линий как орто-Н26О, так и пара-Н26О основного и первого возбужденного колебательных состояний, обладающее признаками мазерного усиления излучения (Хамфриз, 2007).
В качестве основного механизма накачки Н2О-мазеров, как правило, рассматривается столкно-вительное возбуждение молекул Н2О на вышележащие уровни с последующей радиационной дезактивацией этих уровней (Элитзур, 1992). При этом на каждый фотон усиливаемого излучения должен приходиться один или более инфракрасных фотонов "стока", которые для завершения цикла накачки должны либо поглотиться более холодной пылью, либо выйти за границы резонансной области.
Столкновительный механизм накачки был рассмотрен Стрельницким (1973), а также Де Йон-гом (1973) в первых теоретических моделях Н2О-мазера. Помимо инверсии населенностей уровней в линии 22.2 ГГц (переход 616 ^ 523), в работе Де Йонга было указано на возможность возникновения инверсии населенностей уровней для перехода 532 ^ 441 орто-Н16О на частоте 621 ГГц, перехода 423 ^ 33о на частоте 448 ГГц, а также перехода 414 ^ 321 на частоте 380 ГГц (рис. 1а).
(а) 1000
750
500
250
орто-И21бО
330
321
432
423 4,4
(б) 1000
750
500
250
пара-И216О
3з_
322 313
2ц -
202 "
523 514
/ 6„
следовательно, должно происходить эффективное поглощение фотонов линии стока 523 — 414 с энергией 221.7 см-1.
Варшаловичем и др. (1983) было показано, что на величину инверсии населенностей уровней существенно влияет резонансная передача энергии в столкновениях Н2 и Н2О. В работах Чандра и др. (1984, 1985) исследовались условия возникновения инверсной населенности уровней в линиях орто- и пара-Н26О. Было указано на возможность возникновения инверсной населенности уровней для ряда переходов орто- и пара-Н26О, в частности для перехода 313 — 22о пара-Н26О на частоте 183 ГГц и перехода 515 — 422 на частоте 325 ГГц.
Детальное исследование возникновения инверсной населенности уровней для вращательных переходов Н26О проводилось в работе Ньюфельда и Мельника (1991), а также в работе Ятиса и др. (1997). В частности, Ятис и др. (1997) указали на возможность возникновения инверсной населенности уровней для 32 вращательных переходов орто-Н26О и 24 переходов пара-НЗ,6О основного электронно-колебательного состояния.
В данной работе исследуется процесс накачки мазеров Н26О и Н28О в плотных газопылевых облаках. Рассматривается столкновительный механизм накачки Н2О мазеров в присутствии холодной пыли. Населенности вращательных уровней находятся в результате самосогласованного решения системы уравнений баланса для населенно-стей энергетических уровней и уравнений переноса излучения в молекулярных линиях. Целью работы является определение значений коэффициентов усиления излучения в линиях Н26О и Н^8О, а также определение физических параметров, при которых возможно мазерное усиление излучения Н2
128О.
Рис. 1. Схема нижних вращательных уровней основного электронно-колебательного состояния молекул орто-Н26О (а) и пара-Н^6О (б). Слева приведена энергетическая шкала в градусах Кельвина. Штриховыми линиями указаны переходы, для которых согласно результатам расчетов должна наблюдаться инверсная населенность уровней (табл. 2а и 3а). Схемы вращательных уровней молекул Н28 О имеют аналогичный вид.
Дегучи (1981) предложил столкновительный механизм накачки мазера 22.2 ГГц, в котором инфракрасное излучение газа в линиях Н2О поглощается холодной пылью, содержащей лед Н2О. Коэффициент поглощения льда Н2О имеет максимум около длин волн 43 мкм (230 см-1), и,
ФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СРЕДЫ В Н2О МАЗЕРАХ Относительное содержание Н2 О в мазерных источниках
Согласно данным, приведенным в работе Лод-дерс и др. (2009), относительное содержание кислорода в Солнечной системе составляет О/Н = = 5.4 х 10-4. Принимая данное относительное содержание кислорода и учитывая, что значительная доля кислорода может быть связана в СО и в других химических соединениях, получаем оценку для относительного содержания молекул Н20/Н2 ^ ^ 10-3. В данных расчетах было принято значение Н20/Н2 = 10-4 (табл. 1). Наблюдения молекулярных линий в окрестностях звезд позднего спектрального класса и областях звездообразования позволяют сделать оценки содержания Н2О в данных объектах.
6
34
5
41
6
25
5
32
4
41
6
16
5
05
3
12
2
3
21
03
2
12
1
10
1
0
01
6
33
5
42
6
15
5
33
4
40
6
06
5
24
4
31
5
15
4
22
4
13
4
04
2
20
1
11
0
00
0
Температура газа
Рассмотрим газовую смесь, состоящую из молекул водорода и воды, а также продуктов их диссоциации. Для простоты предположим, что в газовой смеси отсутствуют другие атомы и химические соединения. Рассмотрим следующие химические реакции:
Н2 ^ Н + Н, (1)
Н20 ^ Н + ОН, ОН ^ Н + О, О2 ^ О + О.
С увеличением температуры облака увеличивается степень диссоциации молекул Н2 и Н2О. Степень диссоциации молекул можно определить из соотношения, аналогичного формуле Саха для процессов ионизации:
АВ ^ А + В, (2)
(2тг/х£;Г)3/2 гАгв _в/кТ
папв ПАВ
Н3
Z
АВ
где пав, па, пВ — объемные концентрации частиц,
V =
™АВ
приведенная масса, Б — энергия дис-
социации молекулы, ZA, Zв, ZAB — статистические веса атомов и молекул. Энергии диссоциации молекул Н2, Н2О, ОН и О2 и соответствующие температуры составляют: Бн2 = 36118.11 ± ± 0.08 см"1, ТН2 = БН2/к = 51966 К (Балакриш-нан и др., 1992), БН2О = 41145.94 ± 0.15 см"1, ТН2о = 59200 К (Максютенко и др., 2006), БОН = = 35584 ± 10 см"1, ТОН = 51197 К(Джоенс, 2001), БО2 = 41261 ± 15 см"1, ТО2 = 59365 К (Брикс, Герцберг, 1953). Статистический вес атома или молекулы равен:
Z = ^2 дг ехр (-£г/кТ) ,
Таблица 1. Значения физических параметров, принятые в расчетах
(3)
Параметр Значение параметра
Кинетическая температура газа 400 к, юоо к
Концентрация молекулярного водорода 108 см"3
Относительное содержание молекул н2о/н2 10-4
Отношение орто- к пара-Н20 3
Толщина облака в направлении нормали к плоскости облака 1014 см
Скорость турбулентных движений в облаке 1 км/с
Температура пыли 100 к
где дг — степень вырождения уровня энергии ег, суммирование проводится по всем энергетическим уровням частицы. Уровни с энергиями ег ^ кТ вносят ничтожно малый вклад в величину Z, и суммирование в (3) можно ограничить конечным числом слагаемых. Для атомов водорода и кислорода в этих расчетах было принято Zн = 4, Zо = 9. Статистический вес для молекулы водорода Zн2 определялся согласно формуле (3). Для молекул ОН, Н2О и О2 использовались таблицы статистических весов, которые доступны в базе данных HITRAN 2008 (Фишер и др., 2003). Определим долю молекулярного водорода и долю кислорода, связанного в Н2О:
2пн2
Сн №) =
Мн '
МО
где Мн и Мо — полные объемные концентрации ядер водорода и кислорода, соответственно:
Мн = 2Пн2 + Пн + Пон + 2Пн2о,
Мо = ПО + 2ПО2 + ПОН + ПН2О,
где пн, По, пН2, поН, пН2о, По2 — объемные концентрации частиц. Для стандартного космического содержания элементов концентрацииМн и Мо связаны соотношением (Лоддерс и др., 2009):
Мо = 5.4 х 10"4МН. (4)
На рис. 2 представлены результаты решения системы уравнений, включающей четыре уравнения вида (2) для каждого из процессов (1) и уравнение (4). По оси абсцисс отложена полная объемная концентрация водорода Мн. Каждая сплошная кривая соответствует фиксированному значению параметра Со (Н2О), каждая пунктирная кривая — фиксированному значению параметра СН (Н2). Значения параметров Со (Н2О) и Сн (Н2
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.